準東地區(qū)土壤重金屬污染特征及來源分析

阿卜杜薩拉木·阿布都加帕爾，王宏衛(wèi)，楊勝天，劉香云

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.北京師范大學地理與遙感科學學院，北京 100875)

煤炭資源的不斷開采以及工農業(yè)生產(chǎn)活動的快速發(fā)展在促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，也引起了一定程度的大氣污染、植被生長受損和土壤質量惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，尤其導致的土壤重金屬污染越來越嚴峻[1-3]。土壤重金屬污染是指不同人為活動的影響下，污染源形成的重金屬元素通過沉降或淋溶等不同方式累積在土壤中，并使土壤本身存在的重金屬含量超出標準范圍而造成污染的過程[4-5]。重金屬元素具有易被富集、遷移緩慢、污染隱蔽、難以分解等特征，從而造成土壤環(huán)境的污染、生態(tài)系統(tǒng)的破壞等現(xiàn)象，甚至通過食物鏈直接或間接地威脅人體健康和生命安全[6-8]。土壤重金屬污染的日益突出逐漸引起了相關環(huán)境部門的高度重視，已成為全球性環(huán)境污染研究領域的主要熱點問題。

目前，國內外諸多學者利用統(tǒng)計學和不同污染評價方法對土壤重金屬污染特征、空間異質性以及污染來源等方面開展了不少工作。劉碩等[9]對龍口市北部的煤礦附近表層土壤重金屬元素的空間分布特征進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)存在較嚴重的污染，污染主要分布在桑園、北皂和柳海等煤礦附近地區(qū)；高文文等[10]以安太堡煤礦周邊工業(yè)園為研究對象，采用內梅羅指數(shù)、單因子指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)等污染評價方法，對研究區(qū)土壤重金屬的污染現(xiàn)狀進行了評價，發(fā)現(xiàn)土壤受到了不同程度的污染，其中Hg元素是主要的污染因子。但大多數(shù)研究只針對整體區(qū)域的重金屬污染特征，而對不同功能區(qū)污染程度和來源辨識方面相對比較稀少。基于此，本文以準東地區(qū)不同功能區(qū)域為研究對象，利用地統(tǒng)計學方法定量分析了各區(qū)域污染特征及空間分布狀況，采用內梅羅綜合污染指數(shù)和污染負荷指數(shù)方法評價了其污染程度，并借用多元統(tǒng)計方法解析了主要污染來源，從而為準東地區(qū)土壤重金屬污染防治、管理以及修復脆弱生態(tài)環(huán)境提供一定的理論參考和技術指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)中部為古爾班通古特沙漠，西至烏魯木齊米東區(qū)，東至奇臺縣與蒙古交界，南與東天山山脈中低山區(qū)相接，北與卡拉麥里山自然保護區(qū)接壤，總面積約2.8×104km2。準東地區(qū)海拔在350～2 800 m之間，地勢總體呈南北高、中間低凹形。研究區(qū)氣候極度干燥，常年少雨，光照豐富，晝夜溫差大，常年以西北風為主，屬于中溫帶大陸性干旱沙漠氣候。土壤種類不多，發(fā)育程度緩慢，地表植被類型單調，物種單一，分布稀疏，常見的植被有蛇麻黃、梭梭、檉柳和琵琶柴等。

1.2 土壤樣品采集與測定

2016年10月14日～23日在準東地區(qū)進行了野外調查，為了準確掌握研究區(qū)土壤污染狀況，采樣點布設在準東地區(qū)不同小區(qū)域(圖1)。其中，A區(qū)為五彩灣煤礦周圍，B區(qū)為工業(yè)園密集的阜康市，C區(qū)為吉木薩爾和奇臺縣農田附近。本研究共選取了168個土壤采樣點，并記錄其地理坐標、植被覆蓋、風向風速以及周圍地理環(huán)境等輔助信息。以2 m×2 m正方形范圍為依據(jù)，在四個頂角和對角線交點等五處進行采取0～20 cm表層土壤樣品，用四分法將五處的土樣均勻混合取1 kg左右，并裝入采樣袋備用重金屬元素含量的測定。

經(jīng)過剔除土樣中雜質進行自然風干，用干凈木棒研磨過1 mm孔徑篩子并稱取0.5000 g，按照相應化學方法[11]準備待測溶液，并送至新疆大學理化測試中心，利用全譜電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀來測試溶液中Zn、Cu、Cr、Hg、Pb和As等6種重金屬元素的含量。其中，As和Hg利用原子熒光光譜法測定，Zn、Cu、Cr和Pb利用火焰原子吸收光譜法測定，每個樣品進行3次測定，取均值作為測定最終值。

1.3 污染評價方法

1.3.1 內梅羅綜合污染指數(shù)

內梅羅綜合污染指數(shù)以單因子指數(shù)基礎上兼顧變量最大值和平均值的多因子環(huán)境質量評價方法[12]，它不僅可以指出污染貢獻突出的元素，也能夠總體評價不同元素對土壤環(huán)境造成的污染水平。內梅羅綜合污染指數(shù)的計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Pi為單因子指數(shù)；PN為內梅羅綜合污染指數(shù)；Ci為重金屬含量的實測值，mg/kg；Si為新疆背景值，mg/kg；max和ave分別為單因子指數(shù)的最大值和平均值。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布圖Fig.1 Sketch map of study area and sampling sites

1.3.2 污染負荷指數(shù)

污染負荷指數(shù)是一種可以直觀反映各重金屬元素對土壤造成污染貢獻程度的方法。污染負荷指數(shù)計算步驟簡單，評價標準通常選取研究區(qū)土壤背景值，從而可以準確判斷人為污染狀況，卻忽略了不同污染源導致的差異性。污染負荷指數(shù)的計算公式見式(3)～(5)。

CFi=Ci/Si

(3)

(4)

(5)

式中：CFi為重金屬元素最高污染系數(shù)；Ci為重金屬含量的實測值，mg/kg；Si為新疆背景值，mg/kg；PLI為某點處的污染負荷指數(shù)；n為評價的重金屬元素類型；PLIzone為某區(qū)域的污染負荷指數(shù)，m為采樣點數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理，運用Matlab 2012軟件實現(xiàn)土壤重金屬含量之間的相關性，借助ArcGIS 10.3軟件繪制了土壤重金屬含量的空間分布格局圖。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計特征

準東地區(qū)不同區(qū)域土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計結果見表1。A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)6種重金屬元素的含量大小為Cr>Zn>As>Cu>Pb>Hg，平均值分別為43.25～49.18 mg/kg、20.62～22.20 mg/kg、43.23～85.86 mg/kg、14.90～32.41 mg/kg、0.02～0.06 mg/kg和31.94～36.53 mg/kg，其中Zn和Cu平均值未超過新疆背景值[13]，但三個區(qū)內Cr、Hg、As和Pb平均值不同程度上超過了背景值，超標率在30%～100%之間，可知研究區(qū)土壤存在較嚴重的污染。對比不同區(qū)域的各元素含量可知：A區(qū)的Zn、Cr和Hg含量均大于B區(qū)和C區(qū)，說明煤礦開采活動對土壤重金屬的累積存在較大影響；Cu和As在B區(qū)的含量大于A區(qū)和C區(qū)，而Pb元素含量為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)，說明土壤環(huán)境的污染與工業(yè)生產(chǎn)和農業(yè)活動等人為因子也有密切關系。變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)變量空間上的離散程度，用CV來表示：若CV<10%為弱變異性；10%≤CV≤100%為中度變異性；CV>100%為強度變異性[14]。研究區(qū)除Hg外，其他5種元素的變異系數(shù)在14%～59%之間，均呈中等空間變異性，表明Zn、Cu、Cr、Pb、和As的污染不僅受到結構性因素影響，同時也受到隨機性因素的作用。

2.2 土壤重金屬含量的空間分布特征

利用ArcGIS空間插值模塊繪制了準東地區(qū)土壤重金屬含量空間分布格局，結果見圖2。從A區(qū)重金屬元素的空間分布特征來看：Zn、Cu和As的空間分布存在一定的規(guī)律性和相似性，總體呈從西北到東南遞減的變化趨勢，高值出現(xiàn)在五彩灣露天煤礦周圍和道路兩邊，低值出現(xiàn)在研究區(qū)東南部的荒漠類草地自然保護區(qū)北緣，可知污染不僅與成土母質等自然因子有關，同時也受到煤炭開采活動的影響；Pb和Cr也具有較相似的分布特征，其高值出現(xiàn)在火燒山煤礦產(chǎn)業(yè)帶以及煤炭加工廠周邊，低值則分布在研究區(qū)東北部人類活動稀疏的卡拉麥里山附近，說明污染受到煤礦開采和煤炭運輸?shù)热祟惢顒拥挠绊戄^明顯。B區(qū)Zn、Cr和Cu高濃度值分布在阜康市的大小工業(yè)園附近，低值出現(xiàn)農業(yè)平原區(qū)，而As和Pb高濃度含量出現(xiàn)在煤電煤化工廠周邊以及公路兩側，表明污染與自然和隨機因子的雙重作用有關。相對C區(qū)來看，Zn、Cu、Hg和Cr的空間分布呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，高值主要分布在吉木薩爾縣農田周圍的小型工廠或煤炭堆積區(qū)附近，而As在奇臺縣東部的農田耕地出現(xiàn)高濃度值，可知污染一定程度上受到了農業(yè)活動的影響。

表1 研究區(qū)土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計

圖2 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metals in the study area

2.3 內梅羅綜合污染指數(shù)評價結果

計算研究區(qū)土壤重金屬內梅羅綜合污染指數(shù)，結果見表2。由表2可知，Zn和Cu的單因子指數(shù)在0.63～0.83之間，均未超過最低污染等級范圍，其污染處在警戒狀態(tài)；As、Hg和Cr的單因子指數(shù)分別在2.97～3.26、0.93～3.13和0.88～1.74之間，污染程度處在輕微至重度污染，且均值都超出土壤背景值，說明該三種元素是危害土壤環(huán)境質量的主要污染因子。從內梅羅綜合污染指數(shù)來看，Zn和Cu處于警戒和輕微污染水平，Hg和Cr在A區(qū)內梅羅綜合污染指數(shù)為2.96和4.45，分別呈現(xiàn)中度和重度污染水平，但在B區(qū)和C區(qū)屬于輕微污染，說明該兩個元素的污染受到煤炭開采的影響較明顯，As在A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的污染指數(shù)分別為4.05、4.65、4.15，均屬于重度污染，可見該元素在各區(qū)內都存在較嚴重的污染，這主要與自然和人為因素的共同影響有關。

2.4 污染負荷指數(shù)評價結果

研究區(qū)土壤重金屬的最高污染系數(shù)和污染負荷指數(shù)結果見圖3。由圖3可知，A區(qū)Hg的污染系數(shù)最大，其次是As和Cr；B區(qū)和C區(qū)污染系數(shù)較高的是As和Pb，最小的是Zn，可知這三種元素導致的污染貢獻較為明顯，但三個區(qū)域存在一定的差異，可能具有不同的污染來源。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的土壤重金屬污染負荷指數(shù)分別為1.69、1.15和1.08，均在1～2之間，均屬于中度污染，其不同區(qū)域大小排序為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，表明五彩灣露天煤礦的煤炭開采對當?shù)赝寥乐亟饘傥廴镜挠绊懕容^大，同時天山北坡工、農業(yè)活動也對準東地區(qū)土壤環(huán)境質量造成了不同程度的影響，應引起重視。

表2 土壤重金屬內梅羅綜合污染污染指數(shù)評價結果

圖3 不同區(qū)域土壤重金屬元素CF、LPI及LPIzone對比圖Fig.3 Comparison chart of CF、LPI and LPIzone of soil heavy metals in the different regions

2.5 土壤重金屬污染來源分析

2.5.1 土壤重金屬相關性分析

污染來源相似的重金屬元素之間存在較好的線性相關關系。利用Pearson相關系數(shù)對準東地區(qū)不同區(qū)域的6種重金屬含量數(shù)據(jù)進行了相關性分析。由圖4可知，研究區(qū)內Cu、Zn、As和Cr相互之間均呈現(xiàn)高度顯著相關性，其中Cu與Zn和As的相關性最高，A區(qū)的相關系數(shù)達到0.83(p<0.01)，說明這三種元素可能具有相似的污染來源；除C區(qū)Hg與Cu外，Hg與其他5種元素之間相關性程度不明顯，表明該元素的污染來源可能較為復雜；同樣Pb與各元素之間均顯著不相關，其相關系數(shù)普遍小于0.4(p<0.05)，表明Pb與其他元素的污染來源不同或存在獨特的污染源。

圖4 不同區(qū)域土壤重金屬相關性系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of soil heavy metals in the different region(注：**為在0.01水平(雙側)上顯著相關；*為在0.05水平(雙側)上顯著相關)

表3 研究區(qū)土壤重金屬最大方差法旋轉成分矩陣

Table 3 Rotated component matrix according to varimax normalized of soil heavy metals

區(qū)域成分ZnCuCrPbHgAs特征值方差貢獻率/%累積貢獻率/%F10.890.930.59-0.01-0.160.642.4440.6540.65A區(qū)F2-0.040.050.63-0.310.88-0.361.3923.1663.81F3-0.08-0.07-0.120.93-0.120.311.0116.6780.48B區(qū)F10.830.880.76-0.130.43-0.792.8547.5647.56F2-0.170.150.060.850.720.311.3823.1370.69C區(qū)F10.710.930.930.460.69-0.923.7963.1263.12F20.55-0.16-0.180.81-0.610.021.3823.1486.26

2.5.2 土壤重金屬主成分分析

通過SPSS軟件對不同區(qū)域的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進行了主成分分析，結果見表3。

A區(qū)主要提取了3個不同的主成分，其中F1、F2和F3的方差貢獻率分別為40.65%、23.16%和16.67%，累積貢獻率達到了80.48%，能夠解析污染來源信息。第一主成分中Zn、Cu和As的荷載量分別為0.89、0.93和0.64，并且這三種元素相互間相關性較高，可能來自相同污染源，五彩灣露天煤礦開采對土壤環(huán)境影響較大，而Zn和Cu卻未超出新疆背景值，主要受土壤母質等自然條件的影響，說明第一成分為自然因子，但As已超過背景值，不僅受成土母質的控制，礦業(yè)活動影響也比較明顯。第二主成分Cr和Hg的荷載量為0.63和0.88，造成的污染貢獻率較大且含量均值遠超出背景值范圍，說明人為因子為主導作用，污染源可能為煤矸石和煤化工廠產(chǎn)生的固態(tài)廢物。第三主成分Pb元素因子荷載量為0.93，并Pb與其他元素之間沒有顯著相關性，說明具有獨立的污染源，污染主要來自風力影響飛落的粉煤灰和煤炭運輸交通排放的廢氣。

B區(qū)主要提取兩個不同主成分F1和F2，累積貢獻率達到70.69%，同樣可以足夠解釋污染源特征信息。第一主成分中Zn、Cu、Cr和As的荷載量均較高，且彼此之間存在較好的相關性，可以判別為同一個污染源，其中Zn、Cu和Cr未超過土壤背景值，污染受到土壤類型和成土母質等自然因子的影響為主導作用；而As的均值明顯超標背景值范圍，污染程度比較嚴重，說明同時受自然和人為等復合因子的影響，污染源可能主要來自于工業(yè)廢水和農業(yè)污灌。第二主成分中Pb和Hg荷載量分別為0.85和0.72，并與其他元素之間均沒有存在顯著相關性，污染分布主要出現(xiàn)在公路兩邊和工廠附近區(qū)域，初步判別污染源為人為因子，其中，Hg主要來自阜康市的大小企業(yè)排出的廢氣及生活垃圾焚燒，Pb污染來源可能為交通運輸汽車尾氣排放和輪胎的磨損。

C區(qū)同樣提取兩個主成分，F(xiàn)1和F2的累積貢獻率達到86.26%，能夠更好地揭示主要污染源信息。第一主成分中Zn、Cu和Cr的因子荷載量依次為0.71、0.93和0.93，As因子荷載量為-0.92，且彼此之間呈現(xiàn)一定的線性相關關系，可能來自相同的污染源，其中Zn、Cu和Cr平均值基本上未超出新疆土壤背景值，主要受成土母質和土壤理化性質等自然因子的影響，As存在較高的非正荷載量，其均值遠高于背景值且導致的農田土壤污染比較嚴重，說明除了自然因子外，同時受到人為因子的協(xié)同影響，其主要污染源為農業(yè)生產(chǎn)所需的含As化肥原料。第二主成分中荷載量較高的是Hg和Pb，Hg的貢獻率達到63.12%，由于當?shù)剞r業(yè)活動的影響下該兩種元素對土壤環(huán)境造成了較嚴重的污染，其中Hg主要來源于農用施肥農藥和污泥，Pb由大型農業(yè)機械輪胎磨損和畜禽糞便為主要的污染源。

3 結 論

1) 研究區(qū)Cr、Pb、Hg和As均值超出新疆土壤背景值，超標率在30%～100%之間，存在較嚴重的污染，變異系數(shù)均大于15%，屬于中等空間變異性，可知污染同時受到自然因子和人為因子的雙重影響。

2) 從污染評價結果可知，不同區(qū)內Zn和Cu污染處在警戒水平，Cr和Hg在A區(qū)屬于中度和重度污染，在B區(qū)和C區(qū)均屬于輕微污染，而As三個區(qū)內均處在重度污染，不同區(qū)域污染大小依次為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)?？傮w上As、Cr、Pb和Hg對土壤環(huán)境質量造成的污染貢獻較大，應引起重視。

3) Zn、Cu、Cr和As間相關性較高，Pb與其他元素均沒有顯著相關性，其中Zn和Cu污染來自成土母質，Pb污染源可能為交通尾氣排放和輪胎磨損，而Cr和As一定程度上受到了煤炭開采、工業(yè)生產(chǎn)和農業(yè)活動等人為污染的影響。